过程控制仪表与装置过程控制仪表与装置第三章第三章概概 述述 气动控制仪表的特点气动控制仪表的特点：结构简单，性：结构简单，性能稳定可靠，维护方便，价格便宜，能稳定可靠，维护方便，价格便宜，并且具有本质安全防爆性能，特别适并且具有本质安全防爆性能，特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所。用于石油、化工等有爆炸危险的场所。概概 述述 电动控制仪表的特点电动控制仪表的特点：可以实现无滞后的：可以实现无滞后的远距离传送，同时又具有能源简单、便于远距离传送，同时又具有能源简单、便于和计算机配合的特点。由于采取安全火花和计算机配合的特点。由于采取安全火花防爆措施解决了防爆问题，电动仪表同样防爆措施解决了防爆问题，电动仪表同样也能应用于易燃易爆的危险场所，因此在也能应用于易燃易爆的危险场所，因此在工业生产过程中得到越来越广泛的应用。工业生产过程中得到越来越广泛的应用。模拟式模拟式 传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单，传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单， 操作方便，价格较低操作方便，价格较低概概 述述 p一般与检测装置、显示装置一起组一般与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内装在一个整体之内p同时具有检测、控制与显示的功能同时具有检测、控制与显示的功能p结构简单、价格低廉、使用方便结构简单、价格低廉、使用方便p通用性差，信号不易传递通用性差，信号不易传递p一般应用于简单控制系统中。一般应用于简单控制系统中。 基地式仪表基地式仪表概概 述述 单元组合式仪表仪表单元组合式仪表仪表按各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表分为若干单元，按各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表分为若干单元，各单元能独立实现某种功能，使用时可以按生产工艺的不同要求各单元能独立实现某种功能，使用时可以按生产工艺的不同要求挑选需要的单元加以组合，其特点是应用灵活，通用性强，使用挑选需要的单元加以组合，其特点是应用灵活，通用性强，使用维护方便，特别适用于中、小企业的过程控制系统；维护方便，特别适用于中、小企业的过程控制系统；组件组装式仪表组件组装式仪表：单元组合仪表的基础上发展起来的一种：单元组合仪表的基础上发展起来的一种成套仪表装置，结构上包括控制机柜和显示操作盘两部分，成套仪表装置，结构上包括控制机柜和显示操作盘两部分，它的主要特点是功能分离，结构组件化，特别适用于要求它的主要特点是功能分离，结构组件化，特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的过程组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的过程控制系统。控制系统。概概 述述 数数 字字 式式它以微型计算机为核心，功能完善，它以微型计算机为核心，功能完善，性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问题，满足现代生产过程的高质量控制要问题，满足现代生产过程的高质量控制要求。它可实现连续生产过程、断续生产过求。它可实现连续生产过程、断续生产过程的控制，也可以通过在程的控制，也可以通过在PLCPLC中加入中加入PIDPID等等控制功能，实现批量控制。控制功能，实现批量控制。概概 述述 可编程调节器：可编程调节器： 具有比传统模拟仪表更为丰富的运具有比传统模拟仪表更为丰富的运算和控制功能，它可以提供多种软算和控制功能，它可以提供多种软件功能模块，由用户根据生产控制件功能模块，由用户根据生产控制的要求通过组态完成各种运算处理的要求通过组态完成各种运算处理和复杂控制，具有很大的应用灵活和复杂控制，具有很大的应用灵活性，但其软件系统比较复杂。性，但其软件系统比较复杂。概概 述述 信号制及供电方式信号制及供电方式 信号制信号制-指在成套仪表系列中，各个仪表的输入输出间指在成套仪表系列中，各个仪表的输入输出间 采用何种统一联络信号来进行信号传输的问题采用何种统一联络信号来进行信号传输的问题。气动控制仪表气动控制仪表：0.020.020.1MPa0.1MPa 电动控制仪表电动控制仪表，0 010mA10mA（DCDC）电流信号作为电动电流信号作为电动型仪表型仪表 4 420mA20mA（DCDC）电流信号电流信号 1 15V5V（DCDC）电压信号电压信号 电动电动型仪表型仪表传输方式传输方式：进出控制室的传输信号采用电流信号，：进出控制室的传输信号采用电流信号， 控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号 基本控制规律及其对控制过程的影响基本控制规律及其对控制过程的影响 回忆回忆：控制器作用 被控对象被控对象被控对象被控对象 测量变送测量变送测量变送测量变送控制器控制器控制器控制器执行器执行器执行器执行器被控变量被控变量被控变量被控变量设定值设定值设定值设定值扰动扰动基本控制规律概述基本控制规律概述 控控制制规规律律是是指指控控制制器器的的输输出出信信号号与与输输入入偏偏差差信信号号随随时时间间变变化化的的规规律律。在在单单回回路路定定值值控控制制系系统统中中，由由于于扰扰动动作作用用的的存存在在，会会使使被被控控变变量量对对给给定定值值产产生偏差，此偏差数值上等于被控变量测量值与给定值之差。即：生偏差，此偏差数值上等于被控变量测量值与给定值之差。即： 式中式中ee偏差偏差 X Xi i被控变量的测量值被控变量的测量值 X Xg g被控变量的给定值被控变量的给定值 控控制制器器的的输输出出信信号号是是相相对对于于控控制制器器输输入入信信号号e e的的输输出出的的变变化化量量yy。如如果果输输入入e e与与输输出出yy的的变变化化方方向向相相同同，则则称称控控制制器器为为正正作作用用控控制制器器；反反之，如果输入之，如果输入e e与输出与输出yy变化方向相反，则称控制器为反作用控制器。变化方向相反，则称控制器为反作用控制器。 控制规律概述控制规律概述 PIDPID控制器的一般形式为：控制器的一般形式为：yyf(e) f(e) 几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为：几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为：比例作用（比例作用（P P） 比例积分作用（比例积分作用（PIPI） 比例微分作用（比例微分作用（PDPD） 比例积分微分作用（比例积分微分作用（PIDPID）K KP P控制器的比例增益；控制器的比例增益； T TI I控制器的积分时间；控制器的积分时间； T TD D控制器的微分时间控制器的微分时间； 控制规律的表示形式控制规律的表示形式ey KPe t t式中 y-为控制器的输出; e-为控制器的输入; KP为比例增益， 表征比例控制作用的强弱程度。 比例控制器的阶跃响应特性PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响 比例控制规律对控制过程的影响比例控制规律对控制过程的影响比例控制的输出与输入的关系为yKP e通常习惯用比例增益的倒数即比例度表示控制器的输入与输出之间的比例关系以及比例作用的强弱。比例度可表示为 =1/KP 越大，比例控制作用越弱，越大，比例控制作用越弱，越小，比例控制作用越强越小，比例控制作用越强。PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响比比例例度度对对控控制制过过程程的的影影响响比例度的选择原则比例度的选择原则: : 若对象的滞后较若对象的滞后较小，时间常数较大以小，时间常数较大以及放大倍数较小，那及放大倍数较小，那么可以选择小的比例么可以选择小的比例度来提高系统的灵敏度来提高系统的灵敏度，从而使过渡过程度，从而使过渡过程曲线的形状较好。反曲线的形状较好。反之，为保证系统的稳之，为保证系统的稳定性，就要选择大的定性，就要选择大的比例度来保证稳定比例度来保证稳定。 积分作用数学表达式为PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响 比例积分控制规律对控制过程的影响比例积分控制规律对控制过程的影响t te y式中TI是积分常数，表示积分速度的大小和积分作用的强弱。积分作用能够消除余差积分作用能够消除余差与比例控制相比，积分控制过渡过程比较缓慢与比例控制相比，积分控制过渡过程比较缓慢PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响 在阶跃信号作用下（幅值为A)PI输出响应由比例和积分两部分组成 当 t=TI y= 2KPAPI控制器的输出随时间变化的表达式为t yI=yPtypPe yTI由此可确定积分常数。积分常数越大，积分作用越小，反之，积分作用越大。积分常数越大，积分作用越小，反之，积分作用越大。积分时间积分时间T TI I的物理意义：的物理意义：在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于比例作用的输出所经历的时间。比例作用的输出所经历的时间。 PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响积积分分时时间间对对过过渡渡过过程程的的影影响响左图表示在同样比例度下左图表示在同样比例度下积分时间对过渡过程的影积分时间对过渡过程的影响。由图中曲线可以看响。由图中曲线可以看出，出，TITI过大时积分作用不过大时积分作用不明显，余差消除地也慢，明显，余差消除地也慢，从图中曲线、可以看从图中曲线、可以看出，出，TITI较小时易于消除余较小时易于消除余差，但系统的振荡加剧。差，但系统的振荡加剧。相比之下，曲线就比较相比之下，曲线就比较理想。理想。 理想微分控制器的输出与输入信号的关系为： 在阶跃信号输入的瞬间，控制器的输出为无穷大，其余时间输出为零。et0t0ttPIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响 比例微分控制规律对过渡过程的影响比例微分控制规律对过渡过程的影响比例微分输出的大小与偏差变化速度及微分时间成正比。微分时间越长，微分作用越强。 微分时间 对PID控制器而言，当积分时间TI时，控制器呈PD控制特性。此时输出与输入的关系如式所示。 tety理想PD控制器的阶跃响应曲线 比例微分控制规律比例微分控制规律PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响微微分分时时间间对对过过渡渡过过程程的的影影响响PD控制优点：能提高系统的响应速度，同时改善过程的动态品质，抑制过渡过程的最大动态偏差，有助于提高系统的稳定性。PD控制不足之处：一般只适应于时间常数较大或多容过程的调节控制，而不适用于流量、压力等一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强时会导致系统中的控制阀频繁开启，容易造成系统振荡。PD控制一般总是以比例动作为主，微分动作为辅。 PID控制规律吸取了比例控制的快速反应功能、积分控制的消除余差功能和微分控制的预测功能，从控制效果看，是比较理想的一种控制规律。阶跃响应特性可以看作是PI阶跃响应曲线PD阶跃响应曲线的叠加。 PID三作用控制器虽然性能效果比较理想，但并非任何情况下都可采用PID三作用控制器。因为PID三作用控制器需要整定比例度、积分时间和微分时间三个变量，而在实际工程上是很难将这三个变量都整定到最佳值。PID阶跃响应特性曲线 PIDPID控制规律对控制过程的影响控制规律对控制过程的影响 比例积分微分控制规律DDZ-DDZ-型控制器型控制器 DDZ-DDZ-型型PIDPID控制器的特点：控制器的特点： 元器件以线性集成电路为主，大大提高了可靠性，降低了功耗；提高了控制器的操作性能；易于控制器功能的扩展;采用安全火花防爆措施，提高了稳定性和可靠性。同时，DDZ-型PID控制器中采用的运算放大器是高增益高输入阻抗的，因此具有较高的积分增益和良好的保持特性。 DDZ-型控制器有两个基型品种，全刻度指示控制器 偏差指示控制器 PIDPID控制器的组成原理控制器的组成原理 PID控制器组成框图 IDID控制器的特性分析控制器的特性分析 主要作用主要作用: : 对输入信号和给定信号进行综合比较，获得偏差信号并进行放大，同时实现电平的移动，把以零伏为基准的输入电压转换成以10V参考电压为基准的输出电压信号。VBIC1R1R6+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FT 输入电路输入电路图中以零伏（地）为基准的测量信号Vi和给定信号VS，反相地加到运算放大器IC1的两个输入端，电路的输出是已经进行了电平移动的以VB=10V为基准的电压信号VO1。同相端：设 为理想运放， ，开环增益为反相端：对于理想运放,VBIC1R1R6+R2R4R7R3VSViVo1R8R5FTIC1 IDID控制器的特性分析控制器的特性分析 RP1aR1RD断CDV02KIC21K9.1K通+V01VBVBRP1aV02IC2+VTRDCD1K9.1KV01VB 比例微分电路的作用是对输入电路的输出信号VO1进行比例微分运算。电路如图所示。将PD电路分为无源比例微分网络图和比例运算电路图两部分单独进行分析。无源比例微分网络 比例电路 微分电路构成 充电结束时， 9.1K电阻上的电压全部加到电容CD上，此时 VCD（）= VO1 并保持该值不变。 比例微分电路的输出信号VO与VT成简单的比例放大关系，因为比例系数为，所以有 VOVO1 PDPD电路电路IDID控制器的特性分析控制器的特性分析 PI电路的作用是对PD电路的输出信号VO2进行比例积分运算，然后输出以10V为基准的15V的电压信号至输出电路。为便于分析，我们把射极跟随器等包括在IC3中，则PI电路简化图.PI电路 PI电路的等效电路VB24VV02自CI1K1+IC3DWBG12.4KD3.9K软硬硬软自K2109.1KRI1KV03自CMK1D3.9K软硬硬软自K2自K3K1D3.9K软硬硬软自K2VBCMV03V02CI+IC3RI硬手操信号软手操信号 PIPI电路电路IDID控制器的特性分析控制器的特性分析